模電課程設(shè)計(jì)報(bào)告-- 音頻功率放大電路

1、. 模電課程設(shè)計(jì)論文 論文題目： 音頻功率放大電路 課程名稱 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) 2012年12月25日目 錄 一設(shè)計(jì)題目 .二設(shè)計(jì)任務(wù)目的與要求 .三原理電路設(shè)計(jì) .方案比較 .整體電路框圖 . 單元電路設(shè)計(jì)及元器件選擇 . 輸出波形圖 .系統(tǒng)的電路總圖： . 四、電路調(diào)試過(guò)程與結(jié)果: .五課程設(shè)計(jì)的總結(jié)與體會(huì) . 一、設(shè)計(jì)題目：音頻功率放大電路二、設(shè)計(jì)任務(wù)目的與要求：要求：設(shè)計(jì)并制作用晶體管和集成運(yùn)算放大器組成的音頻功率放大電路，負(fù)載為揚(yáng)聲器，阻抗8。指標(biāo)：頻帶寬50HZ20kHZ，輸出波形基本不失真；電路輸出功率大于8W；輸入靈敏度為100mV，輸入阻抗不低于47K。三、原理電路設(shè)

2、計(jì)：方案比較：利用運(yùn)放芯片TDA7294和各元器件組成音頻功率放大電路， 待機(jī)和靜音功能有保護(hù)電路，電源分別接+39v和-39v，輸出功率可以達(dá)到70w。優(yōu)點(diǎn)：有短路保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)電路，低噪聲和低失真，高輸出功率。缺點(diǎn)：由于輸出功率較大，對(duì)各器件的要求都比較高，還要考慮到散熱的問(wèn)題，成本高。 利用運(yùn)放芯片TDA2030和各元器件組成音頻功率放大電路，有保護(hù)電路，電源只需接+19v，另一端接地，負(fù)載是阻抗為8的揚(yáng)聲器，輸出功率大于8w。通過(guò)比較，方案的輸出功率有70w，能用在HiFi家用音響、有源音響、高性能電視機(jī)，但其輸入要求比較苛刻，添加了實(shí)驗(yàn)難度。而方案的要求不高，并能滿足設(shè)計(jì)要求，所以選

3、取方案來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。整體電路框圖：TDA2030元器件和電源元器件和接地信號(hào)輸入三極管信號(hào)輸出單元電路設(shè)計(jì)及元器件選擇：?jiǎn)卧娐吩O(shè)計(jì)：功率放大器按輸出級(jí)靜態(tài)工作點(diǎn)的位置可分為甲類、乙類和甲乙類三種；若按照輸出級(jí)與負(fù)載的耦合方式，甲乙類又可分為電容耦合 （OTL 耦合）、直接耦合（OCL 電路）和變壓器耦合三種。變壓器耦合容易實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，但體積大， 較笨重。又OCL電路電源輸入要求較高，所以采用OTL電路。采用單電源的OTL電路不需要變壓器中間抽頭，但需要在輸出端接上大電容，且低頻特性不如OCL好。根據(jù)“虛短”、“虛斷”的原理，利用電阻的比值，可求得電路所需的放大倍數(shù)，其中可加入一個(gè)電位器替代反

4、饋電阻，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)電路放大倍數(shù)的調(diào)整。因?yàn)楣β史糯箅娐肥亲非笤陔娫措妷捍_定的情況下，輸出盡可能大的功率，可以采取OTL電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了提高轉(zhuǎn)換功率，我們要對(duì)電路進(jìn)行改善，這主要圍繞功率放大電路頻率響應(yīng)的改善和消除非線性失真來(lái)改進(jìn)電路，因此要用到若干個(gè)電阻電容來(lái)保護(hù)電路。OTL電路會(huì)產(chǎn)生交越失真，為了消除這種失真，應(yīng)當(dāng)設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，使電路中的兩只放大管均工作在臨界導(dǎo)通或微導(dǎo)通的狀態(tài)，這可以通過(guò)加入兩個(gè)二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槎O管具有單向?qū)щ娦??；蛘邔蓚€(gè)有一定對(duì)稱性的NPN和PNP三極管的基極分別和TDA2030的兩個(gè)電源輸入端相連。最后在輸出端，還要加一個(gè)大電容來(lái)保證電路的低頻性良好。

5、在接有感性負(fù)載揚(yáng)聲器時(shí)還要加入一個(gè)電阻和一個(gè)電容來(lái)減少電路的自激振蕩，確保高頻穩(wěn)定性。元器件選擇：如下面的系統(tǒng)原理圖所示，C2為輸入耦合電容，應(yīng)選取較小的電解電容；R1、R、R3和C7的作用是組成運(yùn)放TDA2030的輸入偏置電路，取R1=R2=R3，可計(jì)算得TDA2030正向輸入端的電壓為0.5VCC，而電容C7的作用是可以穩(wěn)定這個(gè)電位。另外，R3是為了防止輸入信號(hào)被C7短接到地而設(shè)的。C6是高頻退耦電容，應(yīng)選用較小的陶瓷電容或獨(dú)石電容；C3是濾波電容，應(yīng)選用較大的電解電容。C4、R4、和R11構(gòu)成交流負(fù)反饋，控制交流增益，對(duì)于音頻信號(hào)，可以近似地認(rèn)為C4短路，所以功放的增益為1<<

6、;1+R11（有效部分）/R4<<1+100/3.3=31.3。對(duì)于直流信號(hào)，可認(rèn)為C4斷路，所有輸出信號(hào)反饋到反向輸入端，所以直流增益為1。取R6=R8和C8可起著保證TIP31和TIP32的基極電壓相等，從而減少了推挽電路的交越失真。而R7和C5可以濾除TDA2030輸出的高頻信號(hào)。二極管D1、D2保護(hù)運(yùn)放免受揚(yáng)聲器的感應(yīng)電壓而造成損害。電容C1是輸出耦合電容，能夠改善電路的低頻特性，要用容值較大的電解電容。C9和R10能對(duì)揚(yáng)聲器的相位進(jìn)行補(bǔ)償，能夠較少電路的自激振蕩，確保高頻穩(wěn)定性。運(yùn)放TDA2030內(nèi)含各種保護(hù)電路，需要外接元件非常少，且電路的頻帶寬較寬，并能在最低

7、7;6V最高±22V的電壓下工作。另外，它輸出功率較大，在±19V、8阻抗時(shí)能夠輸出16W的有效功率，THD0.1%，所以選用TDA2030能夠?qū)崿F(xiàn)電路的要求。而TIP31C和TIP32C是一對(duì)互補(bǔ)性較好的NPN和PNP三極管，集電極和發(fā)射極之間所承受的電壓也可以高達(dá)100V，集電極的電流為3A左右，每只管的功耗也只有40W左右而已，所以用它們來(lái)搭建OTL電路比較合適。系統(tǒng)的電路總圖：元件清單如下：標(biāo)號(hào)型號(hào)大小封裝形式數(shù)量R7RJ141AXIAL0.41R6、R8RJ141.5AXIAL0.42R10RJ1422AXIAL0.41R4RJ143.3kAXIAL0.41R1、

8、R2、R3RJ14100kAXIAL0.43R11B100K100 k1C125V-2200uf2.2mf1C325V-100uf100uf1C4、C750V-10uf10uf2C250V-2.2uf2.2uf1C5、C8224220nf2C6、C9104100nf21n4001DO-354TIP31CTO-2201TIP32CTO-2201TDA2030PENTAWATT1總計(jì)25四、電路調(diào)試過(guò)程與結(jié)果:測(cè)試頻帶寬：調(diào)節(jié)電位器R11的阻值，經(jīng)過(guò)測(cè)試可得其中一個(gè)電路的下限截止頻率為fL=4.924Hz，上限截止頻率為fH=73.813kHz。當(dāng)然在50HZ20kHZ頻率范圍內(nèi)電路輸出不失真，這

9、滿足條件“頻帶寬50HZ20kHZ，輸出波形基本不失真”的要求。在實(shí)驗(yàn)室里也經(jīng)過(guò)測(cè)量，顯示可以在50HZ20kHZ頻率范圍內(nèi)電路輸出不失真。測(cè)量輸出電壓放大倍數(shù):測(cè)試條件：直流電源電壓19v，輸入信號(hào)峰峰值為100mv，輸入頻率為1KHz，電位器R11的有效阻值為70k，負(fù)載電阻8。輸入和輸出的波形如下圖所示：輸出電壓峰峰值為：Uo=Ui*【1+R11(有效部分)/R4】 放大倍數(shù)：Ao=1+R11（有效部分）/R4=1+70/3.3=22 仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較：Ui（峰峰值）Uo（峰峰值）（仿真）Uo（峰峰值）（實(shí)測(cè)）100mv2.2 v2.0v400mv8.8v8.3v由上表可知，實(shí)際上

10、輸出電壓放大倍數(shù)：Au21誤差分析：因?yàn)樵膶?shí)際數(shù)據(jù)大小與理論的大小存在差異,譬如金屬膜電阻的阻值誤差為1%或5%，電容的容值誤差也有5%20%。實(shí)際上1n4001、TIP31、TIP32等元器件跟仿真軟件所表現(xiàn)出來(lái)的特性不是完全一樣的。同時(shí)，音頻集成放大芯片發(fā)熱量比較大，比較容易受到周圍環(huán)境溫度的影響，從而也導(dǎo)致了一定的誤差。另外，在實(shí)測(cè)中讀數(shù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤差。測(cè)量最大不失真功率：根據(jù)理論可得最大不失真功率為,Uo為輸出電壓峰峰值。經(jīng)過(guò)測(cè)試，在19V的直流電源，8負(fù)載作用下，調(diào)節(jié)電位器R11，使其允許的最大不失真輸入信號(hào)為Ui=650mv,其最大不失真功率為:Po=8.9w>8w。也滿足

11、“電路輸出功率大于8W”條件。測(cè)量輸入靈敏度為100mV時(shí)的輸入阻抗：在信號(hào)輸入端接上兩個(gè)萬(wàn)用表，分別測(cè)量輸入端的電壓和電流，得Ui75.59mV，Ii746.57nA，所以輸入阻抗為Ri=Ui/Ii=101K>>47K，明顯也滿足“輸入靈敏度為100mV，輸入阻抗不低于47K”的條件。五、總結(jié)和體會(huì)：方案和作品的優(yōu)點(diǎn)為：焊接板排版較為縝密，焊接沒(méi)有跳線；作品所用元器件較少，電源輸入要求較低，頻帶寬4.924HZ73.813kHZ，輸出波形基本不失真，電路輸出功率大于8W，輸入靈敏度為100mV，輸入阻抗高于47K，能夠基本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的任務(wù)要求；電路中有TDA2030的保護(hù)電路，另外

12、在輸出部分能對(duì)揚(yáng)聲器的相位進(jìn)行補(bǔ)償，從而能夠較少電路的自激振蕩，確保高頻穩(wěn)定性；作品用了TIP31C和TIP32C組成的推挽放大電路，能夠較少TDA2030的功耗，使TDA2030的發(fā)熱量減少；電位器R11能夠?qū)崿F(xiàn)電路增益的調(diào)整。缺點(diǎn)有：功率不是很高，最大輸出功率只有8.9W；TIP31C和TIP32C的功耗都比較大，集電極電流輸出不是很大；2.2mf的電解電容存在電感，電路的低頻特性不是很好；針對(duì)3個(gè)缺點(diǎn)各自的改進(jìn)方案：缺點(diǎn)1：采用雙電源供電的OCL電路或者用LM1875或TDA7294等運(yùn)放和元器件搭建的電路；缺點(diǎn)2：2SA1444、2SC3694的功耗只有30W左右，而集電極的輸出電流可

13、達(dá)15A，每只管的耐壓值也為100V，可用這兩只管代替TIP31C和TIP32C。缺點(diǎn)3：把電路換成OCL電路；心得體會(huì)： 時(shí)間總是過(guò)得很快，經(jīng)過(guò)一個(gè)月的課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，我已經(jīng)自己能制作一個(gè)高保真音頻功率放大器，這其中的興奮是無(wú)法用言語(yǔ)表達(dá)的。為了盡快完成模電的課程設(shè)計(jì)，我充分利用課余時(shí)間，一天也沒(méi)歇息。雖然大一學(xué)過(guò)了模電，但畢竟那時(shí)理論沒(méi)有跟實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，所以很多知識(shí)都忘了。相關(guān)知識(shí)缺乏給學(xué)習(xí)它帶來(lái)很大困難，為了盡快掌握它的用法，我重新找出了模電書仔細(xì)地復(fù)習(xí)功率放大的相關(guān)知識(shí)。一邊學(xué)理論知識(shí)，一邊上網(wǎng)照著原理圖學(xué)習(xí)視頻一步一步做，終于知道了如何操作。剛開(kāi)始我借來(lái)了一份高保真音頻功率放大器的電

14、路原理圖，但離實(shí)際應(yīng)用差距較大，有些器件太老了，很難找到，后來(lái)到網(wǎng)上搜索了一下相關(guān)內(nèi)容，順便到學(xué)校圖書館借相關(guān)書籍，經(jīng)過(guò)不斷比較與討論，最終敲定了高保真音頻功率放大器的電路原理圖，并且查找關(guān)于元器件的參數(shù)情況。為下步實(shí)物連接打好基礎(chǔ)。在做電路仿真時(shí)，我畫好了電路原理圖，修改好參數(shù)后，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)列表時(shí)系統(tǒng)總是報(bào)錯(cuò),無(wú)論我怎樣修改都不行，后來(lái)請(qǐng)教同學(xué)，他們也遇到了同樣的困惑。不過(guò)，經(jīng)過(guò)了一個(gè)晚上的掙扎，終于檢查出原來(lái)漏連了一條線，真是精力耗盡??！但這反而高漲了我對(duì)這課程設(shè)計(jì)的熱情！接下來(lái)，開(kāi)始了我們的實(shí)物焊接階段。由于之前有接觸過(guò)焊接，所以以為會(huì)比較簡(jiǎn)單。但事實(shí)不是這樣的！由于采用了電路板，為了使步

15、線美觀、簡(jiǎn)潔，不想用跳線，所以排版也排了很辛苦，還真是費(fèi)了我不少精力，經(jīng)過(guò)不斷的修改，最終結(jié)果還比較另人滿意。經(jīng)過(guò)這段課程設(shè)計(jì)的日子，我發(fā)現(xiàn)從剛開(kāi)始的只會(huì)一點(diǎn)理論知識(shí)到現(xiàn)在的把理論和實(shí)際聯(lián)系起來(lái)，無(wú)論是實(shí)際動(dòng)手能力還是電子知識(shí)的儲(chǔ)備，都覺(jué)得有質(zhì)的飛躍。由于沒(méi)有接觸，開(kāi)始學(xué)得很費(fèi)力，但到后來(lái)就好了。在每次的課程設(shè)計(jì)中，遇到問(wèn)題，最好的辦法就是問(wèn)別人，因?yàn)槊總€(gè)人掌握情況不一樣，不可能做到處處都懂，發(fā)揮群眾的力量，復(fù)雜的事情就會(huì)變得很簡(jiǎn)單。這一點(diǎn)我深有體會(huì)，在很多時(shí)候，我遇到的困難或許別人之前就已遇到，向他們請(qǐng)教遠(yuǎn)比自己在那冥思苦想來(lái)得快。而且，在這一過(guò)程中，我經(jīng)常上“電子發(fā)燒友”等技術(shù)論壇，大大開(kāi)闊了眼界。也開(kāi)始從模電課程設(shè)計(jì)走出來(lái)，經(jīng)常自己上網(wǎng)查找資料DIY一些有趣實(shí)用的電子電路。從一開(kāi)始的TDA2030到即將要做的TDA7294功放，我發(fā)現(xiàn)自己對(duì)功放的熱情是越來(lái)越高！在調(diào)試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)原先的可調(diào)電源達(dá)不到19V，但這阻止不了我的熱情。工欲善其事，必先利其器！經(jīng)過(guò)了一番折騰，我終于做出了25V到37V的可調(diào)電源。雖然也去過(guò)實(shí)驗(yàn)室?guī)状握{(diào)試，但是覺(jué)得有一個(gè)可靠的可調(diào)電源以后也很有作用。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我明白了獨(dú)立完